Projeto, simulação e controle de veículo aéreo não tripulado tail-sitter

Abstract

Veículos aéreos não tripulados possuem um enorme potencial de utilização, em sua maioria ainda inexplorada. Estes podem ser desenvolvidos a partir de diferentes plataformas como helicópteros, dirigíveis, aviões e outras, possuindo cada uma diferentes características. Combinando-se benefícios de duas ou mais plataformas em um único veículo aumenta-se o leque de aplicações de robôs aéreo. Entre os veículos aéreos que combinam características de duas plataformas estão os aviões com tecnologia de pouso e decolagem vertical, que podem ser de diferentes conceitos: propulsão vetorizada, deflexão da corrente de ar, hélice inclinável, rotor inclinável, asa inclinável e tail-sitter. Por ter menor complexidade mecânica, o último conceito foi escolhido para ser aplicado e desenvolvido em um robô aéreo. O presente trabalho tem como foco principal o desenvolvimento de um sistema de controle capaz de manter e alterar a orientação de uma aeronave tail-sitter tanto para a realização de vôos horizontais (convencionais) como vôos verticais e transição entre vôos. Isto é desenvolvido seguindo a seguinte seqüência de etapas: modelagem matemática do veículo aéreo, projeto do veículo e construção de um protótipo, medição de parâmetros a partir do protótipo, desenvolvimento, testes e ajustes dos sistemas de controle. A modelagem é feita para situações de vôos horizontais com a adição de aspectos necessários para a realização de vôos verticais. Para o projeto são utilizados duas metodologias distintas de modo a tornar mais claro todas as suas etapas. Além disso são utilizados também algumas equações do modelo matemático para auxiliar no dimensionamento da aeronave. Com a construção do protótipo são medidos os parâmetros aerodinâmicos da aeronave e posteriormente aplicados ao modelo matemático para simulação computacional. A parir deste os sistemas de controle são projetados, fazendo-se primeiramente simplificações e linearizações, seguido de testes e ajustes necessários para atendes aos requisitos estabelecidos. Dentre os sistemas de controle desenvolvidos estão o controle de atitude para vôo horizontal, controle de atitude para vôo vertical, e controle de manobras para transição entre vôos. Os resultado obtidos através de simulação em ambiente computacional mostram que o controle do robô aéreo tail-sitter é viável, sendo necessário para sua aplicação em situação real a instrumentação da aeronave e possíveis ajustes no sistema de controle. O objetivo do trabalho é atingido com o desenvolvimento do sistema de controle, sendo todas as etapas anteriores importantes para a realização desta. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Unmanned air vehicles have an enormous potential use still unexplored. They can be developed starting from several platforms as helicopters, dirigibles, airplanes and other, possessing each different characteristics. Combining benefits of two or more platforms in a single vehicle increases the possibility of aerial robot applications. Among the aerial vehicles that combine characteristics of two platforms there are the airplanes with vertical takeoff and landing technology, which can be from different concepts as vectored thrust, deflected slipstream, tilt propeller, tilt rotor, tilt wing and tailsitter. Since vehicles that use the tail-sitter concept have lesser mechanical complexity than vehicles that use other concepts, the tail-sitter concept was chosen in the aerial robot development. The present work has as main focus the development of a control system capable to maintain and modify the orientation of a tail-sitter aerial robot in horizontal (conventional) flights, vertical flights and transition from one flight to another. For this, the following sequence of stages was proceeded: mathematical modeling of the aerial vehicle, design of the vehicle and construction of a prototype, measurement of parameters from the prototype, development, tests and adjustments of the control systems. The mathematical modeling was elaborated based on horizontal flights with the addition of characteristics necessary to vertical flying. For the vehicle design it was used two complementary methodologies and some equations from the mathematical model, once there are not design methodologies, in literature, for tail-sitter air vehicle design. 7 After the construction of the prototype, they were measured the aerodynamic parameters of the aircraft, and after, applied to the mathematical model for computational simulation. With the mathematical model, the control systems were designed, after the system linearization. Tests and adjustments necessary to attend established requirements were performed. The control systems developed are the attitude control for horizontal flight, attitude control for vertical flight, and control of maneuvers for transition from one flight to another. The results obtained in computational simulation show that the control of the tail-sitter aerial robot is viable. Its application in real situation will require the instrumentation of the aircraft and possible adjustments in the control system.